Verfahren zum Überwachen einer Einrichtung zum induktiven Erwärmen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Einrichtung zum Erwärmen von Bautellen wobei die Einrichtung einen aus einer Induktionsspule (I) und einem Werkstück (W) bestehenden induktiven Lestzweig aufweist und wobei an der Induktionsspule (I) während der Erwärmung eine Wechselspannung (U_S) abfällt,
wobei die Wechselspannung (U_S) erfasst wird, über die Dauer der Erwärmung eine Spannungszeitfläche (F) bestimmt und mit einer vorher festgelegten Referenzfläche verglichen wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Einrichtung zum Erwärmen von Bauteilen mittels einer Induktionsspule nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Einrichtungen werden beispielsweise zum Härten von Werkstücken eingesetzt. Aus der DE 2 322 720 A ist eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Induktionshärteanlage bekannt. Dabei wird die der Härteanlage zugeführte Wärmemenge als elektrische Energie ermittelt, indem der Induktionsspannung und dem Induktionsstrom proportionale Spannungen einem Multiplizierer aufgeschaltet werden. Weil die zugeführte Leistung sich während der Heizphase verändert, wird sie über die Aufheizzeit integriert. Zu diesem Zweck ist der Ausgang des Multiplizierers mit dem Eingang eines Integrators verbunden. Mit dem Ausgabewert der Schaltungsanordnung können unter anderem Rückschlüsse auf Härtetemperatur, Erwärmungstiefe oder auf den Wirkungsgrad des Induktors geschossen werden. Ein Nachteil besteht bei geregelten Härteeinrichtungen darin, dass bestimmte Fehler, beispielsweise im Schwingkreis des Wechselstromgenerators, nicht detektiert werden können, weil sie von der Regelung kompensiert werden. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Überwachen einer Einrichtung zum Induktiven Erwärmen aufzuzeigen, welche die Nachteile im Stand der Technik nicht aufweist. Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0002] Ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung besteht darin in Einrichtungen zum induktiven Erwärmen die an der Induktionsspule abfallende Scheinspannung zu messen, diese Ober die Aufheizzeit zu integrieren und eine entsprechende Spannungszeltfläche zu erstellen. Der magnetische Fluss einer Leiterschlelfe hängt nur von der angelegten Spannungszeltfläche ab und über ihn findet die Kopplung an das zu erwärmende Bauteil statt. Abhängig vom Erwärmungszustand des Bauteils stellt das System Induktionsspule - Bauteil einen mehr oder weniger belasteten Transformator dar. Ein Vergleich mit vorher ermittelten Referenzwerten der Spannungszeitfläche ermöglicht unter anderem Rückschlüsse auf die Induktionsspulengeometrie, die magnetische Kopplung zwischen Induktionsspule und dem zu erwärmenden Bauteil oder auf die Frequenz und Amplitude des Induktionsspulenstroms. Mit diesem Verfahren werden außerdem auch Fehler auf der Generatorseite erfasst. Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.

[0003] Es zeigen:

Fig. 1 den Lastzweig einer Einrichtung zum induktiven Erwärmen von Werkstücken Fig. 2a eine Spannungszeltfläche bei sinusförmigem Spannungsverlauf

Fig. 2b eine Spannungszeitfläche über den Mittelwert des Betrags der Wechselspannung Fig. 3a bis 3c eine MF-Spannung mit überlagerter HF-Spannung mit zugehörigen Spannungszeitflächen

[0004] Die Erfindung wird am Beispiel einer Härteeinrichtung für Werkstücke, die mit einer Induktionsspule erwärmt werden, näher erläutert. In Fig. 1 ist der Lastzweig dieser Einrichtung dargestellt. Das Werkstück W wird von der Induktionsspule I induktiv erwärmt. Die Induktionsspule I ist an einen nicht dargestellten Generator angeschlossen. Die Induktionsspule I weist einen vom Werkstück W beeinflussten Prozesswiderstand auf. Während der induktiven Erwärmung fällt an diesem Prozesswiderstand die Spannung U_s ab. Diese verändert sich, wenn sich beispielsweise der Werkstoff oder die Temperatur des Werkstücks W, die Geometrie der Induktionsspule I, die magnetische Kopplung zwischen Induktionsspule I und Werkstück W oder Frequenz oder Amplitude des Stroms ändern. Gleichzeitig wird auch ein Fehlverhalten des Generators beispielsweise im Schwingkreis oder Wechselrichter erfasst. In Fig. 2a ist die Spannungszeitfläche F für eine sinusförmig verlaufende Wechselspannung dargestellt. Der Vergleich der Spannungszeitfläche F mit vorher ermittelten Referenzwerten gibt Aufschluss darüber, ob der Erwärmungsvorgang erfolgreich abgeschlossen ist. Zur Ermittlung des Spannungsverlaufs kann die Wechselspannung abgetastet werden. Insbesondere bei hohen Frequenzen von z.B. 300 kHz ist dieser Vorgang aufwändig, weil die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein muss wie der höchste Frequenzanteil des Wechselspannungssignals. Eine vorteilhafte Ausführung ist aus Fig. 2b ersichtlich. Dort wurde aus der gleichgerichteten Wechselspannung ein Mittelwert gebildet und zur Ermittlung der Spannungszeitfläche F herangezogen. Dabei kann ein beliebiger mathematischer Mittelwert, z.B. der geometrische, der arithmetische oder auch der quadratische verwendet werden. Die Figur 3a zeigt eine mittelfrequente Spannung, der eine hochfrequente Spannung überlagert ist. Zur Bildung von Spannungszeitflächen wird die Spannung besonders vorteilhaft in einen mittelfrequenten und einen hochfrequenten Teil aufgespaltet. Gemäß Fig. 3b wird für den mittelfrequenten Teil eine Spannungszeitfläche F_MF und für den hochfrequenten Teil eine Spannungszeitfläche F_HF (Fig. 3c) gebildet. Bei Abweichungen von den Referenzwerten gibt das erfindungsgemäße Verfahren sogar Aufschluss darüber ob die Unregelmäßigkeiten vom mittelfrequenten oder hochfrequenten Teil der Anlage verursacht werden. Außer in Härteeinrichtungen kann das Verfahren auch in anderen Systemen mit induktiver Heizung, z.B. Anlagen zum Löten eingesetzt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zum Überwachen einer Einrichtung zum induktiven Erwärmen von Bauteilen, wobei die Einrichtung einen aus einer Induktionsspule (I) und einem Werkstück (W) bestehenden induktiven Lastzweig aufweist und wobei an der Induktionsspule (I) während der Erwärmung eine Wechselspannung (U_s) abfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung (U_s) erfasst wird, über die Dauer der Erwärmung eine Spannungszeitfläche (F) bestimmt und mit einer vorher festgelegten Referenzfläche verglichen wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung abgetastet wird und dass die Abtastfrequenz mindestens doppelt so groß ist wie der höchste Frequenzanteil des Wechselspannungssignals.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungszeltfläche (F) mit Hilfe von aus dem Betrag der Wechselspannung fortlaufend berechneten Mittelwerten gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei einer mittelfrequenten Spannung eine hochfrequente Spannung überlagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung in einen mittelfrequenten und einen hochfrequenten Teil aufgespaltet wird und dass für den mittelfrequenten Teil eine Spannungszeltfläche (F_MF) und für den hochfrequenten Teil eine Spannungszeitfläche (F_HF) ermittelt wird.

Zeichnung